電腦圖形學(xué)的發(fā)展及未來

電腦圖形學(xué)的發(fā)展及未來

摘要：綜觀計算機圖形學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學(xué)的發(fā)展迅速，而且仍在快速的向前發(fā)展。并且已經(jīng)成為一門獨立的學(xué)科，傲站在科學(xué)的前端，有著廣泛的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：圖形實時繪制

自然景物仿真

計算機圖形學(xué)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡單地說，計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計算機圖形學(xué)已成為計算機科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。本文將介紹計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容、發(fā)展歷史，應(yīng)用和圖形學(xué)前沿的方向。

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計算機圖形學(xué)的發(fā)展簡史

1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院旋風(fēng)號—計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計算，為這些計算機置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計算機圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學(xué)。1963年，伊凡?蘇澤蘭在麻省理工學(xué)院發(fā)表了名為《畫板》的博士論文，它標(biāo)志著計算機圖形學(xué)的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學(xué)，計算機可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，計算機圖形學(xué)的建立意義重大。

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計算機圖形學(xué)的應(yīng)用

計算機輔助設(shè)計與制造

CAN/CAN是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛，最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)被用來進(jìn)行土建工程，機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計，包括設(shè)計飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對所設(shè)計的系統(tǒng)，產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進(jìn)行人—機交互設(shè)計和修改，經(jīng)過反復(fù)的選代設(shè)計，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。在電子工業(yè)中，計算機圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢十分明顯。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，已成為CAD領(lǐng)域最熱門的課題之一?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計已不再是一個設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)過程，相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。

CAD領(lǐng)域另一個非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進(jìn)行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓?fù)潢P(guān)素，從而實現(xiàn)形體的重建。

科學(xué)計算可視化

目前科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，流體力學(xué)，有限元分析，氣象分析當(dāng)中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門的課題，而這些技術(shù)的實現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當(dāng)我們做腦部手術(shù)時，可視化技術(shù)技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確的判別病人的體內(nèi)患處，然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。我們利用了可視化技術(shù)。天氣氣象站將大量數(shù)據(jù)，通過可視化技術(shù)轉(zhuǎn)化成形象逼真的圖形后，經(jīng)過仔細(xì)的分析就可以清晰的預(yù)見幾天后的天氣情況。

圖形實時繪制與自然景物仿真

重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等等。在自然景物仿真這項技術(shù)中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應(yīng)、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應(yīng)，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學(xué)計算等方面應(yīng)用范圍很廣。除了建造計算機可實現(xiàn)的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內(nèi)繪制出最真實的場景。

計算機動畫

隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發(fā)展，計算機動畫應(yīng)運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內(nèi)容，這樣，當(dāng)這些連續(xù)播放時，整個場景就動起來。

早期的計算機動畫靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關(guān)健幀”，連續(xù)播放時2個關(guān)健幀就被有機的結(jié)合起來了。計算機動畫內(nèi)容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進(jìn)行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。然而要真正到達(dá)真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現(xiàn)很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復(fù)雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內(nèi)容需要進(jìn)一步研究。

計算機藝術(shù)

用計算機從事藝術(shù)創(chuàng)作，計算機圖形學(xué)除了廣泛用于藝術(shù)品的制造，如各種圖案、花紋及傳統(tǒng)的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統(tǒng)的藝術(shù)家無法實現(xiàn)也不可想象的。

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計算機圖形學(xué)發(fā)展前景

綜觀計算機圖形學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學(xué)的發(fā)展迅速，并且已經(jīng)成為一門獨立的學(xué)科，傲站在科學(xué)的前端。計算機圖形學(xué)的已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域。比如計算機輔助設(shè)計與制造，自然景物仿真和計算機動畫。在我們的生活到處可見，使我們的生活變的絢麗多彩。還有將可視化用于天氣預(yù)報，使氣象預(yù)報越來越準(zhǔn)確；用于地質(zhì)堪探，使地質(zhì)學(xué)家可以發(fā)現(xiàn)新資源；用于醫(yī)學(xué)做一些精密的手術(shù)提高了人們的壽命等?？傊嬎銠C圖形學(xué)的應(yīng)用給人類帶來了